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    長江中下游雙季稻區(qū)春季低溫冷害的時(shí)空分布

    2013-08-02 00:51:20楊沈斌申雙和趙艷霞
    關(guān)鍵詞:雙季稻中度尺度

    陳 斐, 楊沈斌,, 申雙和, 張 彌, 趙艷霞

    (1.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇 南京210044;3.中國氣象科學(xué)研究院,北京 100081)

    水稻是中國的主要糧食作物之一,其播種面積占糧食作物總面積的1/4,產(chǎn)量接近糧食總產(chǎn)的1/2[1-3]。水稻的安全生產(chǎn)關(guān)系到國家的穩(wěn)定和發(fā)展。然而,中國水稻種植分布廣、生長季長,水稻生產(chǎn)時(shí)常受到多種氣象災(zāi)害的威脅和影響。其中,低溫冷害是造成水稻減產(chǎn)的重要災(zāi)害之一[4]。

    目前,已有大量研究集中在水稻低溫冷害致災(zāi)機(jī)理、水稻低溫冷害指標(biāo)和水稻低溫冷害監(jiān)測(cè)與評(píng)估等方面。王靜等[5]通過對(duì)灌漿期水稻進(jìn)行低溫控制試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)低溫使水稻的光合速率和葉綠素含量下降,進(jìn)而影響水稻生理過程,導(dǎo)致水稻減產(chǎn)。王連喜[6]將遙感獲取的植被指數(shù)與寧夏地區(qū)1992年和1993年發(fā)生的水稻低溫冷害進(jìn)行對(duì)比分析,在評(píng)估延遲型低溫冷害方面取得了較好的效果。Bouman等[7]在水稻生長模型 ORYZA2000中,通過建立穗生長階段冷積溫與敗育率的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)來模擬穗生長階段低溫對(duì)產(chǎn)量的影響。馬樹慶等[8]通過建立日冷積溫(時(shí)積溫)與水稻空殼率的關(guān)系模型,估算成熟前25 d逐日低溫導(dǎo)致的空殼率及減產(chǎn)率。

    然而,水稻低溫冷害時(shí)空分布的研究大多針對(duì)中國的北方稻區(qū)。例如,李文亮等[9]對(duì)黑龍江省低溫冷害的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行了分析,并運(yùn)用灰色分析模型對(duì)其未來發(fā)生情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)。王萍等[10]以黑龍江省79個(gè)氣象臺(tái)站1971~2006年5~9月平均溫度和作為低溫冷害指標(biāo),結(jié)合緯度和海拔高度資料,計(jì)算了一般低溫冷害指示值和嚴(yán)重低溫冷害指示值,從而分析了黑龍江省低溫冷害的分布特征。針對(duì)長江中下游和南方稻區(qū)水稻低溫冷害發(fā)生特點(diǎn),韓榮青等[11]將中國南方早稻區(qū)劃分為四川盆地、長江中下游地區(qū)、華南南部和華南北部4個(gè)區(qū)域,分別研究了各區(qū)域早稻春播時(shí)段低溫冷害的時(shí)空變化規(guī)律。楊愛萍等[12]研究了處于長江中下游稻區(qū)的湖北省水稻盛夏低溫冷害變化特征。

    從已有研究結(jié)果看出,長江中下游和南方稻區(qū)水稻低溫冷害的研究多針對(duì)個(gè)別省份或區(qū)域,分析的時(shí)間尺度多在30年左右,并缺乏對(duì)該區(qū)域低溫冷害時(shí)間周期波動(dòng)特征的詳細(xì)分析。為此,本研究選用長江中下游雙季稻區(qū)47年76個(gè)觀測(cè)站的逐日氣象數(shù)據(jù),依據(jù)春季水稻低溫冷害指標(biāo),結(jié)合氣候統(tǒng)計(jì)和小波分析方法,重點(diǎn)探討該區(qū)域春季水稻低溫冷害的時(shí)空分布和冷害的周期波動(dòng)特征,為優(yōu)化該稻區(qū)春季水稻種植布局和農(nóng)事管理提供參考。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)概況

    根據(jù)中國水稻種植區(qū)劃[13],本文選取長江中下游平原雙單季稻亞區(qū)、江南丘陵平原雙季稻亞區(qū)和黔東湘西高原山地單雙季稻亞區(qū)3個(gè)稻區(qū)作為研究區(qū)域(圖1)。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫19.0℃,最冷月平均氣溫5.5℃,最熱月平均氣溫28.0℃,無霜期210~270 d,≥10.0℃積溫4 500~6 500℃,年日照時(shí)數(shù)700~1 500 h,年降水量1 000~1 400 mm,降水主要集中于春、夏兩季。稻區(qū)內(nèi)早稻播種面積占全國早稻播種面積的比率超過53%,是該區(qū)域內(nèi)最主要的春播作物之一,因而,受到春季反復(fù)低溫冷害的威脅較大。

    圖1 研究區(qū)水稻種植區(qū)劃圖Fig.1 Rice cultivation zoning map of the study area

    1.2 數(shù)據(jù)

    1.2.1 氣象數(shù)據(jù) 從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)獲取了研究區(qū) 76 個(gè)氣象觀測(cè)站1961~2007年(共47年)的逐日氣溫觀測(cè)資料。資料包括最低溫度、最高溫度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和降水量。采用常規(guī)氣候統(tǒng)計(jì)方法對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了缺測(cè)訂正和整理[14]。

    1.2.2 春季水稻低溫冷害指標(biāo) 1961~2007年長江中下游稻區(qū)春季(3~5月)是受北方冷空氣頻繁侵?jǐn)_的活躍期。根據(jù)水稻生長對(duì)溫度的要求,當(dāng)溫度低于12℃時(shí)就會(huì)對(duì)水稻生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響。為此,結(jié)合長江中下游雙季稻區(qū)春季低溫冷害發(fā)生特點(diǎn)和早稻生產(chǎn)農(nóng)事活動(dòng),將研究時(shí)段設(shè)為早稻營養(yǎng)生長階段,即發(fā)芽——幼穗分化期(3月下旬至4月底)。同時(shí),參考《中國災(zāi)害性天氣氣候圖集》中的低溫冷害定義方法,將該階段連續(xù)3 d或以上日平均氣溫≤12.0℃記為1次低溫冷害過程[15]。根據(jù)低溫冷害過程的持續(xù)日數(shù),將冷害強(qiáng)度分為輕度、中度、重度3個(gè)等級(jí),等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為:3~4 d為輕度,5~6 d為中度,≥7 d為重度[16]。另外,定義各站每年總冷害頻次為該年3個(gè)等級(jí)冷害頻次的總和。

    1.2.3 方法 統(tǒng)計(jì)1961~2007年3月21日至4月30日不同等級(jí)冷害出現(xiàn)的頻次,采用線性趨勢(shì)分析法,分析了低溫冷害頻次的時(shí)間變化趨勢(shì),并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。趨勢(shì)變化分析用一次線性方程表示[17]:

    另外,選用Morlet連續(xù)小波分析方法,分析研究區(qū)47年春季水稻不同等級(jí)低溫冷害頻次的周期特性。通過將低溫冷害頻次時(shí)間序列分解到時(shí)間頻率域內(nèi),得出各周期信號(hào)的振幅以及這些振幅隨時(shí)間變換的信息,繪制小波系數(shù)圖和小波方差譜圖。小波系數(shù)圖能反映時(shí)間序列在不同時(shí)間尺度上的周期變化及其在時(shí)間域上的分布,圖中等值線中心為低溫冷害多發(fā)或少發(fā)中心,中心值的大小可以反映出波動(dòng)的振動(dòng)強(qiáng)度;小波方差譜圖反映了時(shí)間序列的波動(dòng)能量隨尺度的分布情況,可用來確定低溫冷害波動(dòng)的主周期[18-20]。對(duì)小波方差譜,可利用 α=0.05紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜作為背景譜來進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。當(dāng)檢驗(yàn)線低于小波方差曲線時(shí),說明該區(qū)段對(duì)應(yīng)的周期特征通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

    2 結(jié)果

    2.1 研究區(qū)春季水稻低溫冷害空間變化特征

    圖2顯示了長江中下游雙季稻區(qū)47年春季水稻低溫冷害平均發(fā)生頻次的空間分布。從圖中可以看出:1)總冷害發(fā)生頻次為 0.40~2.70次/年,空間分布緯向差異明顯,多發(fā)區(qū)位于東北部的江蘇,依次向西向南遞減,在江西達(dá)到最少,兩省平均相差1.10次/年(圖2A)。2)從不同冷害等級(jí)來看(圖2B~圖2C),輕度和中度冷害空間差異較小,全區(qū)輕度冷害普遍偏多(均在0.30次/年以上),中度冷害普遍偏少(最多僅0.54次/年)。重度冷害空間差異較大,呈東北-西南分布,處于高值區(qū)的江蘇發(fā)生頻次最多可比低值區(qū)的江西多7倍。從各省不同等級(jí)冷害的發(fā)生比例來看,江蘇的重度冷害發(fā)生最頻繁,所占比例最大(43.9%),故冷害程度最重;江西、湖南輕度冷害比例最大(50.0%以上),重度比例最小,故冷害程度最輕。3)處于研究區(qū)域東北部地區(qū)春季低溫冷害發(fā)生頻率高、程度重,主要由于其緯度相對(duì)偏高,溫度相對(duì)偏低,且地處沿海,因此春季回溫較內(nèi)陸稍慢。另外,這些地區(qū)春季多連陰雨天氣,也是其低溫發(fā)生較多的一個(gè)重要原因。

    圖2 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害的空間分布Fig.2 Spatial distribution of spring cold damage to rice production in the study area

    2.2 研究區(qū)春季水稻低溫冷害時(shí)間變化特征

    2.2.1 年際變化特征 對(duì)整個(gè)研究區(qū)域不同等級(jí)春季水稻低溫冷害的發(fā)生頻次進(jìn)行平均處理,得到其年際分布情況(圖3)。由圖3可以看出,總冷害在研究時(shí)段內(nèi)年際波動(dòng)較大,發(fā)生次數(shù)最多的年份是1969年,單站平均2.66次/站,最少的是2001年,單站平均0.29次/站,兩者相差近10倍。47年均頻次為1.57次/站,2000年以后的發(fā)生頻次均低于平均線。從低溫冷害的發(fā)生等級(jí)來看,輕度冷害1992年發(fā)生次數(shù)最少,為 0.07次/站,1969年最多,為 2.03次/站;中度冷害發(fā)生次數(shù)最少、最多的年份分別是1983年和1967年,分別為0.01次/站和1.07次/站;重度冷害發(fā)生次數(shù)最多的年份是1996年,為1.34次/站。輕度、中度和重度低溫冷害對(duì)應(yīng)的47年平均頻次分別為0.74次/站、0.35次/站和0.48次/站,說明全區(qū)以輕度冷害為主,重度次之,中度最少。

    圖4為研究區(qū)域1961~2007年不同等級(jí)春季水稻低溫冷害的發(fā)生臺(tái)站數(shù)占研究區(qū)總站數(shù)的百分比,即各冷害的發(fā)生范圍。結(jié)果表明,輕度冷害發(fā)生范圍最大的是1969年,最小的是1992年,分別占研究區(qū)域的97.0%和7.0%,平均發(fā)生范圍為54.0%。中度冷害1982年發(fā)生范圍最大(72.0%),1974年、1983年和1988年均最小(1.0%),平均發(fā)生范圍為30.0%。1992年和1996年重度冷害的發(fā)生范圍達(dá)99.0%,為47年最大;2000年、2003年和2007年全區(qū)無重度冷害,為47年最小,重度冷害平均發(fā)生范圍為41%。各等級(jí)冷害的發(fā)生范圍都呈減少趨勢(shì),其中輕度和中度冷害減少趨勢(shì)顯著(P<0.05)??偫浜Πl(fā)生范圍2001年最小,僅占研究區(qū)域的16.0%;1973年、1975年、2000年、2001年發(fā)生范圍為16.0%~46.0%,其余43年(占總年數(shù)91.0%)總冷害發(fā)生范圍都超過50.0%,其中有17年的發(fā)生范圍達(dá)100.0%。

    綜合圖3和圖4可知,長江中下游雙季稻區(qū)春季水稻低溫冷害最頻繁且發(fā)生范圍廣的是1969年和1987年,冷害最少且發(fā)生范圍小的是2000年、2001年;研究區(qū)域輕度冷害頻繁、發(fā)生范圍廣,中度冷害少、發(fā)生范圍小,重度冷害居于兩者之間。

    圖3 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害的年際變化Fig.3 Inter-annual variations of spring cold damage to rice production in the study area

    圖4 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害的發(fā)生范圍Fig.4 Incidence of spring cold damage in the study area

    從長江中下游雙季稻區(qū)春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次的年代統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)來看,輕度低溫冷害在20世紀(jì)60~80年代均較多,中度在60年代較多,重度則在80和90年代較多,本世紀(jì)初各等級(jí)低溫冷害都相對(duì)較少,重度尤為突出??偫浜Υ笾鲁尸F(xiàn)出多-少-多-少-少的波動(dòng)特征,即60年代發(fā)生次數(shù)最多,70年代略有減少,80年代又增多,90代開始減少,本世紀(jì)初再次大幅減少,并且其發(fā)生頻次不足前幾個(gè)年代的1/2。由此可見,春季低溫冷害呈現(xiàn)明顯減少和減輕的態(tài)勢(shì)。

    表1 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害年代際變化Table 1 Decadal changes of spring cold damage to rice production in the study area

    以上分析為研究區(qū)域平均狀況,為了解時(shí)間變化趨勢(shì)的空間特征,逐站計(jì)算并繪制了研究區(qū)域47年不同等級(jí)春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次的變化趨勢(shì)分布圖(圖5)。由圖5A可見,全區(qū)有54站(占該地區(qū)總臺(tái)站數(shù)的71.0%)總冷害的減少趨勢(shì)通過了α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)(圖5中藍(lán)圈),各個(gè)省份均有分布,10年春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次減少0.48~0.17次,平均0.27次,最低值0.48次出現(xiàn)在浙江東部;全區(qū)沒有呈顯著增加趨勢(shì)的臺(tái)站;冷害變化趨勢(shì)不顯著的臺(tái)站占29.0%。由圖5B~圖5D可見,輕度冷害有12站呈顯著減少趨勢(shì),主要分布在安徽、江蘇、浙江、湖南,10年春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次減少0.28~0.16次,顯著增加的僅1站(圖5中紅圈);中度冷害顯著減少的有21站,分布于長江中下游各省,10年春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次減少0.21~0.10次;重度冷害僅3站顯著減少,位于江蘇地區(qū),10年春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次減少0.21~0.12次。以上分析說明,研究區(qū)近47年來各省春季水稻低溫冷害都呈現(xiàn)出不同程度的減少趨勢(shì),不同等級(jí)冷害減少的頻次大體相當(dāng),減少范圍最廣的是中度冷害。

    圖5 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次的變化趨勢(shì)Fig.5 Frequency of spring cold damage to rice production in the study area

    2.2.2 周期特征 圖6為長江中下游雙季稻區(qū)春季低溫總冷害發(fā)生頻次的小波系數(shù)與方差分布圖。由圖6a可知,總冷害存在3年、5年、8年的年際和15年、25年以上的年代際周期振蕩特征,除1990年以后出現(xiàn)的5年尺度的周期信號(hào)表現(xiàn)為時(shí)域局部化特征外,其余4個(gè)尺度都具有全域性。3年小尺度周期信號(hào)在1993年以后振蕩強(qiáng)度明顯增強(qiáng),8年尺度周期信號(hào)的振蕩中心發(fā)生了2次偏移,振蕩尺度先從6年逐漸增大到8年,2000年后又回落至5年,振蕩能量也在此后開始減弱;15年和25年以上大尺度上,周期振蕩穩(wěn)定且能量較強(qiáng),25年以上尺度上存在多-少-多-少的2次循環(huán)交替振蕩,分別對(duì)應(yīng)著20世紀(jì)60和80年代的冷害多發(fā)期與70、90年代及2000年以后的冷害少發(fā)期。此外,等值線基本閉合說明在未來一段時(shí)間又將進(jìn)入春季低溫總冷害多發(fā)期。由圖6b可以看出,25年以上尺度在全時(shí)域上的平均振蕩能量最強(qiáng),3年尺度的高頻振蕩能量最弱,幾個(gè)主要振蕩周期尺度中,僅3年尺度的周期信號(hào)通過顯著性檢驗(yàn)。

    圖6 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次的小波變換系數(shù)和方差Fig.6 Wavelet transform coefficients and variances of spring cold damage frequency in the study area

    從不同等級(jí)冷害來看(如圖6c~圖6h),春季輕度低溫冷害具有3年、8年的年際和14年的年代際振蕩周期。其中,3年尺度上的振蕩在2000年以后開始表現(xiàn)的比較明顯,8年尺度的周期信號(hào)最強(qiáng),分布于整個(gè)時(shí)域,2000年以后強(qiáng)度有所減弱,14年尺度的周期變化在1992年以前振蕩明顯,全時(shí)域平均狀況下通過顯著性檢驗(yàn)的為3年小尺度。中度低溫冷害存在4個(gè)分布于整個(gè)研究時(shí)段的周期尺度振蕩,年際尺度變化主要表現(xiàn)在3~5年、8年尺度的周期振蕩,3~5年尺度的振蕩中心由1985年以前的5年尺度逐漸減小為3年,8年尺度的振蕩中心也發(fā)生了8年-10年-8年的偏移,其周期信號(hào)表現(xiàn)最強(qiáng);年代際尺度變化主要表現(xiàn)在16年、25年以上尺度的周期振蕩,16年尺度振蕩強(qiáng)度僅次于8年尺度,振蕩中心未發(fā)生偏移,25年以上尺度與前述中度低溫冷害的年代波動(dòng)情況吻合,因而可預(yù)測(cè)未來發(fā)生趨勢(shì),由于其等值線尚未完全閉合,說明此后中度低溫冷害仍將保持短時(shí)間的少發(fā)期。另外,全時(shí)域平均僅3~5年尺度比較顯著;重度低溫冷害在4~5年的年際和10年、16年、25年以上的年代際尺度上振蕩明顯,4~5年尺度的顯著周期信號(hào)具有全域性,1995年以后振蕩尺度由4年偏移至5年,10年尺度的周期信號(hào)在1995年以前比較明顯,16年尺度全時(shí)域分布,但振蕩能量很弱,25年以上尺度振蕩能量最強(qiáng),全時(shí)域分布,共出現(xiàn)2次完整的交替振蕩,可以預(yù)測(cè),未來重度低溫冷害將會(huì)會(huì)進(jìn)入多發(fā)期。

    3 討論

    本研究認(rèn)為研究區(qū)春季水稻低溫冷害20世紀(jì)70年代和90年代較少、80年代較多,這與劉傳鳳等[21]對(duì)南方地區(qū)的研究一致,但劉傳鳳等認(rèn)為60年代冷害較少,說明長江中下游與南方地區(qū)春季低溫冷害年代發(fā)生情況基本一致但又存在差異。另外,韓榮青等[11]研究認(rèn)為,長江中下游1980~1999年是早稻(3月下旬~4月上旬)低溫冷害的偏多時(shí)期,與本研究結(jié)論不同,這可能是由于研究時(shí)段不同所導(dǎo)致,因此,針對(duì)低溫冷害,還可進(jìn)一步細(xì)化為月或旬來進(jìn)行冷害發(fā)生時(shí)段的研究。

    溫度僅是導(dǎo)致低溫冷害的一個(gè)氣象因子,陰雨、寡照等也會(huì)在一定程度上加重低溫對(duì)早稻生長的不利影響,因此,要使研究結(jié)果能夠指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn),還需要綜合考慮其他因子的作用。此外,長江中下游雙季稻區(qū)春季低溫冷害是春季東亞乃至北半球大氣環(huán)流的作用結(jié)果,受到亞洲中高緯度環(huán)流、西太平洋副熱帶環(huán)流和太平洋熱帶環(huán)流的影響,特別是與亞洲極渦、經(jīng)向環(huán)流指數(shù)、副高北界位置及太平洋暖池的海表面溫度等因子關(guān)系密切[21],其成因及其影響系統(tǒng)極其復(fù)雜,要深入探究南方春季水稻低溫冷害的發(fā)生規(guī)律,還需要進(jìn)一步深入研究。

    本研究根據(jù)現(xiàn)有的中國水稻種植區(qū)劃,選擇單雙季稻和雙季稻區(qū)作為研究區(qū)域,排除了長江中下游部分單季稻區(qū),使分析結(jié)果更具有參考價(jià)值。但值得提出的是,研究區(qū)域內(nèi)一些省份或地區(qū)的雙季稻面積呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì),有的省份(如江蘇)在近年來已經(jīng)不種植早稻。因此,在后續(xù)的研究中將進(jìn)一步調(diào)整研究區(qū)域。另外,本文所用的冷害強(qiáng)度是以天數(shù)為指標(biāo),未考慮溫度指標(biāo)以及其他因素的影響,為此,將在后續(xù)研究中進(jìn)一步完善。

    致謝: 感謝江蘇省氣象局氣象服務(wù)中心高蘋研究員在本研究中提供的幫助!

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